近日，天津大學(xué)材料學(xué)院教授封偉研發(fā)了一種具備自主行動能力和觸覺應(yīng)變的4D打印軟體機器人，該機器人在一次打印成型后即具有熱致無約束滾動能力，無需任何其他后續(xù)加工程序。

該研究成果在《細胞》出版社旗下..期刊《物質(zhì)》發(fā)表。

傳統(tǒng)制造方法限制了軟體機器人“智能”

軟體機器人是一種新型柔韌機器人，他們能夠適應(yīng)不同的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，更好、更安全地與人類進行交互。同傳統(tǒng)機器人相比，它們靈活、適應(yīng)性強，危險性更小。但是目前，軟體機器人主要采用手工裝配工藝制造。制造方法的局限性導(dǎo)致了生產(chǎn)困難，限制了材料選擇范圍，并且難以獲得復(fù)雜的驅(qū)動性能，特別是無限制的自主運動和感知能力。

相比之下，3D打印(增材制造技術(shù))可以基于數(shù)字模型自動準確地將設(shè)計思想轉(zhuǎn)化為復(fù)雜零件，從而顯著提高生產(chǎn)效率和制造靈活性。

“我們在3D打印的基礎(chǔ)上，為軟體機器人制造增加‘時間’維度——即4D打印，將智能材料加工成對熱刺激具有響應(yīng)行為的動態(tài)結(jié)構(gòu)材料?！狈鈧ソ榻B，我們希望通過4D打印能獲得具有感知能力和適應(yīng)性的智能軟體機器人，而不是僅僅只會變形的致動器。如果軟體機器人能具有更豐富的驅(qū)動現(xiàn)象，就可以模仿更多動物或人的行為，實現(xiàn)智能化，也就是人工智能。而目前的研究多數(shù)都是基于彎曲變形的致動器，這僅僅是初步的刺激響應(yīng)性能。

4D打印直接獲得智能軟體機器人

通過4D打印直接獲得智能軟體機器人是一個巨大的挑戰(zhàn)。

封偉團隊通過4D打印對液晶彈性體智能材料進行..加工，直接獲得了具有感知能力和適應(yīng)性的智能軟體機器人?！耙壕椥泽w是一種交聯(lián)的聚合物網(wǎng)絡(luò)，可將各向異性的剛性介晶單元連接在聚合物網(wǎng)絡(luò)中，其特殊的結(jié)構(gòu)將橡膠的彈性和液晶的各向異性有機結(jié)合起來，產(chǎn)生特殊的光學(xué)和物理特性?！狈鈧ソ榻B，由于晶體內(nèi)的原子定向排布導(dǎo)致液晶各個方向上所體現(xiàn)出來的性質(zhì)都不一樣，這就是各向異性。

通過改造基于熔融沉積技術(shù)的3D打印機，團隊實現(xiàn)了液晶彈性體的精準墨水直寫打印技術(shù)。在此過程中，剛性介晶單元被直接寫入具有可控分子序列的三維結(jié)構(gòu)中。由于介晶排列順序是通過打印路徑設(shè)置的，因此不同的排列順序可以實現(xiàn)不同的刺激響應(yīng)性能。

封偉團隊通過全新的液晶彈性體熱驅(qū)動現(xiàn)象，得到了一種具備自主行動能力和觸覺應(yīng)變的4D打印軟體機器人。該機器人在一次打印成型后即具有熱致無約束滾動能力，無需任何其他后續(xù)加工程序，制作簡單快速，重復(fù)性好。

“.讓我們驚喜的是這種機器人的自主性，以及在遇到障礙物時的智能仿生行為。機器人的滾動穩(wěn)定有力，而速度和方向可通過改變形狀和尺寸進行調(diào)整?！狈鈧ケ硎?。

當放置于160℃的熱臺上時，4D打印的矩形軟體機器人變形為螺旋管狀，并在加熱板上自動開始滾動。調(diào)整大小可以改變機器人的滾動速度。而滾動的方向由螺旋管的曲率方向控制，可以輕松改變。這種管狀機器人的整個驅(qū)動過程是自動的，無需改變環(huán)境因素，完全能在脫離人工控制的情況下完成任務(wù)。由于軟體機器人顯示出一定的黏彈特性和相當大的滾動驅(qū)動力，所以即使以一定角度放置在傾斜的加熱板上時，依然可以向上滾動。

可裝載機器人自重40倍的貨物

相比于在日常環(huán)境中執(zhí)行..和重復(fù)性工作，機器人在極端環(huán)境中的工作更為不可替代。比在如酷熱、寒冷、輻射、深水、真空和其他條件下執(zhí)行智能和受控任務(wù)，對所有類型的機器人來說都是極具挑戰(zhàn)性的。而與具有剛性系統(tǒng)的普通金屬機器人相比，軟體機器人在極端環(huán)境中的工作能力更為有限，特別是在極端高溫條件下。

目前的軟體機器人，特別是由單種材料組成的軟體機器人，走向人工智能的道路依舊漫長而艱難。

封偉團隊此次研制的4D打印軟體機器人，由于螺旋圓筒的曲率方向控制滾動方向的特性使得這種軟體機器人具有類似昆蟲觸角的觸覺感知能力，能夠探測前方道路上的障礙物，根據(jù)障礙物的高低實現(xiàn)翻越或折返，從行為學(xué)上體現(xiàn)了一定的智能性。比如當機器人穿越未知的固定長度路徑時，將能實現(xiàn)3種場景：在預(yù)定時間內(nèi)穿越意味著滾動路徑中不存在障礙物;比預(yù)定時間穿越的慢意味著未知路徑稍微被阻塞;機器人返回起點意味著未知路徑被嚴重或完全阻塞。

此外貨物運輸也是無約束軟體機器人的一個重要應(yīng)用。“雖然我們的機器人只能向前和向后移動，但它依然可以用于點對點貨物運輸?！狈鈧ソ榻B：“管狀機器人的空心圓筒為線形物體提供了裝載空間。為了測試管狀機器人在非線形物體情況下的運輸能力，我們設(shè)計了一個類似于地牛的小型牽引裝置，整個裝置可以在加熱板上以恒定速度移動。這表明這種軟體機器人可以應(yīng)用于在極端高溫環(huán)境中執(zhí)行貨物運輸任務(wù)?！?/span>

通過增加樣品長度，軟體機器人可顯著提高運輸能力。如果樣品長度增加到米級時，管狀機器人的運輸能力可能會增加一個數(shù)量級，裝載貨物的..容量可達機器人重量的40倍。

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